К понятию щелочноземельных металлов относится часть элементов II группы системы Менделеева: бериллий, магний, кальций, стронций, барий, радий. Четыре последних металла имеют наиболее ярко выраженные признаки щелочноземельной классификации, поэтому в некоторых источниках бериллий и магний не включают в список, ограничиваясь четырьмя элементами.
Свое название металла получили благодаря тому, что при взаимодействии их оксидов с водой образуется щелочная среда. Физические свойства щелочноземельных металлов: все элементы имеют серый металлический цвет, при нормальных условиях имеют твердую структуру, с ростом порядкового номера увеличивается их плотность, имеют очень высокую температуру плавления. В отличие от щелочных металлов, элементы данной группы не режутся ножом (за исключением стронция). Химические свойства щелочноземельных металлов: имеют два валентных электрона, активность растет с повышением порядкового номера, в реакциях выступают в качестве восстановителя.
Характеристика щелочноземельных металлов свидетельствует об их высокой активности. В особенности это относится к элементам с большим порядковым номером. Например, бериллий в нормальных условиях не ступает во взаимодействие с кислородом и галогенами. Для запуска механизма реагирования его необходимо нагреть до температуры свыше 600 градусов по Цельсию. Магний в нормальных условиях имеет на поверхности оксидную пленку и также не реагирует с кислородом. Кальций окисляется, но достаточно медленно. А вот стронций, барий и радий окисляются практически мгновенно, поэтому их хранят в безкислородной среде под керосиновым слоем.
Все оксиды усиливают основные свойства с ростом порядкового номера металла. Гидроксид бериллия представляет собой амфотерное соединение, которое не реагирует с водой, но хорошо растворяется в кислотах. Гидроксид магния является слабой щелочью, нерастворимой в воде, но реагирующей с сильными кислотами. Гидроксид кальция - сильное, малорастворимое в воде основание, реагирующее с кислотами. Гидроксиды бария и стронция относятся к сильным основаниям, хорошо растворимым в воде. А гидроксид радия - это одна из сильнейших щелочей, которая хорошо реагирует с водой и практически всеми видами кислот.
Способы получения
Получают гидроксиды щелочноземельных металлов путем воздействия воды на чистый элемент. Реакция протекает при комнатных условиях (кроме бериллия, для которого требуется повышение температуры) с выделением водорода. При нагревании все щелочноземельные металлы реагируют с галогенами. Полученные соединения используются в производстве большого ассортимента продукции от химических удобрений до сверхточных деталей микропроцессора. Соединения щелочноземельных металлов проявляют такую же высокую активность, как и чистые элементы, поэтому их используют во многих химических реакциях.
Чаще всего это происходит при реакциях обмена, когда необходимо вытеснить из вещества менее активный металл. В окислительно-восстановительных реакциях принимают участие в качестве сильного восстановителя. Двухвалентные катионы кальция и магния придает воде так называемую жесткость. Преодоление этого явления происходит путем осаждения ионов при помощи физического воздействия или добавления в воду специальных смягчающих веществ. Соли щелочноземельных металлов образуются путем растворения элементов в кислоте либо в результате реакций обмена. Полученные соединения имеют прочную ковалентную связь, поэтому обладают невысокой электропроводностью.
В природе щелочноземельные металлы не могут находиться в чистом виде, так как быстро вступают во взаимодействие с окружающей средой, образую химические соединения. Они входят в состав минералов и горных пород, содержащихся в толще земной коры. Наиболее распространен кальций, немного уступает ему магний, довольно часто встречаются барий и стронций. Бериллий относится к редким металлам, а радий - к очень редким. За все время, которое прошло с момента открытия радия, во всем мире было добыто всего полтора килограмма чистого металла. Как и большинство радиоактивных элементов, радий имеет изотопы, коих у него насчитывается четыре штуки.
Получают щелочноземельные металлы путем разложения сложных веществ и выделения из них чистого вещества. Бериллий добывают путем восстановления его из фторида при воздействии высокой температуры. Барий восстанавливает из его оксида. Кальций, магний и стронций получают путем электролиза их хлоридного расплава. Сложнее всего синтезировать чистый радий. Его добывают путем воздействия на урановую руду. По подсчетам ученых в среднем на одну тонну руды приходится 3 грамма чистого радия, хотя встречаются и богатые месторождения, в которых содержится целых 25 грамм на тонну. Для выделения металла используются методы осаждения, дробной кристаллизации и ионного обмена.
Применение щелочноземельных металлов
Спектр применения щелочноземельных металлов очень обширен и охватывает многие отрасли. Бериллий в большинстве случаев используется в качестве легирующей добавки в различные сплавы. Он повышает твердость и прочность материалов, хорошо защищает поверхность от воздействия коррозии. Также благодаря слабому поглощению радиоактивного излучения бериллий используется при изготовлении рентгеновских аппаратов и в ядерной энергетике.
Магний используют как один из восстановителей при получении титана. Его сплавы отличаются высокой прочностью и легкостью, поэтому используются при производстве самолетов, автомобилей, ракет. Оксид магния горит ярким ослепительным пламенем, что нашло отражение в военном деле, где он используется для изготовления зажигательных и трассирующих снарядов, сигнальных ракет и светошумовых гранат. Является одним из важнейших элементов для регуляции нормального процесса жизнедеятельности организма, поэтому входит в состав некоторых лекарств.
Кальций в чистом виде практически не применяют. Он нужен для восстановления других металлов из их соединений, а также в производстве препаратов для укрепления костной ткани. Стронций используют для восстановления других металлов и в качестве основного компонента для производства сверхпроводящих материалов. Барий добавляют во многие сплавы, которые предназначены для работы в агрессивной среде, так как он обладает отличными защитными свойствами. Радий используется в медицине для кратковременного облучения кожи при лечении злокачественных образований.
МЕТАЛЛЫ II ГРУППЫ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛЫ, МАГНИЙ И БЕРИЛЛИЙ Щелочноземельными являются не все элементы IIА группы, а только начиная с кальция и вниз по группе. Оксиды этих элементов («земли» - по старинной терминологии) взаимодействуют с
ПОЛОЖЕНИЕ В ПСХЭ И СТРОЕНИЕ АТОМОВ Rатома Металлические Восстановительн ые свойства увеличиваются Щелочноземельные металлы Основный характер (искл. Ве – амфотерный) Формула высшего оксида высшего гидроксида …ns 2 с. о. +2 RO R(OH)
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Be Mg Ca Sr Ba Ra Радиус атома и Заряд ядра ув-тся Максимальна я степень Металлические и окисления восстановительные +2 Щелочноземельные металлы св-ва ув-ся. Основные св-ва Оксидов и Гидроксидов ув-ся. Металлы химически активные, в природе встречаются только в виде соединений 2 Взаимодействуют с водой образуя щелочи. n S
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИЯ, БЕРИЛЛИЯ И ЩЕЛОЧНО-ЗЕМЕЛЬНЫЕ МЕТАЛЛОВ серебристо-белые вещества. ковкие и пластичные, довольно мягкие, хотя тверже щелочных. Бериллий отличается значительной твердостью и ножом преимущественно не режутся (исключение - стронций). и хрупкостью, барий при резком ударе раскалывается. Металлическая кристаллическая решетка обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Металлы имеют температуры плавления и кипения выше, чем у щелочных металлов. Бериллий и магний покрыты прочной оксидной пленкой и не изменяются на воздухе. Щелочно-земельные металлы очень активны, их хранят в запаянных ампулах, под слоем вазелинового масла или
Физические свойства металлов II А группы плотность Тплавл 1285 850 651 1. 85 770 710 960 3. 76 2. 63 1. 74 Be 6 1. 54 Mg Ca Sr Ba Ra
й и Мягки ый ичн пласт Mg При комн а темп тной ерату покры ре тонча т йш оксид ей н плён ой кой Те м пл пе ав ра 65 ле тур 0 ни а С я ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Be Чист плас ый тичен, но незна чител ьные прим дела еси ют хрупк его им Т ки уго й п t = м ла 1 ета в 28 л 7 л C тлол све, Метал цвета о серог тый покры ей йш тонча ой н оксид й о плёнк
Лёгкий, беловатосерый, Пластичный металл Ca Температура плавления С Из –за достаточной твёрдости невозможно резать ножом, как щелочные металлы
ПОЛУЧЕНИЕ 1. Барий получают восстановлением оксида: 3 Ba. O + 2 Al = 3 Ba + Al 2 O 3 2. Остальные металлы получают электролизом расплавов хлоридов: Ca. Cl 2 = Ca + Cl 2 (эл. ток)
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА - ВОССТАНОВИТЕЛИ 1. С неметаллами образуют бинарные соединения Реакция с кислородом. Все металлы образуют оксиды RO, барий может-пероксид – Ba. O 2: Ba + O 2 = Ba. O 2 пероксид Ca + O 2 = Ca. O Ba + S = Ba. S сульфид Ca + H 2 = Ca. H 2 гидрид Ca + 2 C = Ca. C 2 карбид 3 Ba + 2 P = Ba 3 P 2 фосфид Ca + N 2 = Ca 3 N 2 нитрид Ca + Cl 2 = Ca. Cl 2 хлорид
2. Реакция с водой. Образуют щелочи. В обычных условиях поверхность Be и Mg покрыты инертной оксидной пленкой, поэтому они устойчивы по отношению к воде. Ca + 2 H 2 O = Ca(OH)2 + H 2 (при о. у.) Mg + H 2 O = Mg(OH)2 + H 2 (при t)
3. Все металлы растворяются в кислотах: Ca + 2 HCl = Ca. Cl 2 + H 2 4. С особыми кислотами (Be похож на Al) Сa + HNO 3(к) = N 2 O + Ca(NO 3)2 + H 2 O Ca + HNO 3(р) = NH 4 NO 3 + Ca(NO 3)2 + H 2 O (N 2 O, NH 3) Ca + H 2 SO 4(к) = H 2 S + Ca. SO 4 + H 2 O Be с азотной кислотой пассивирует, реакция на холоду не идет в независимости от концентрации кислоты
5. Сa, Mg с оксидами тяжелых металлов Восстанавливают металлы из их оксидов - пирометаллургия (кальцетермия, магнетермия) Ca + Cu. O = Cu + Ca. O (t) 2 Mg + Ti. O 2 → 2 Mg. O + Ti 5 Ca + V 2 O 5 → 5 Ca. O + 2 V 2 Mg + CO 2 → 2 Mg. O + C горение Mg в углекислом газе
6. Качественная реакция на катионы щелочноземельных металлов – окрашивание пламени в следующие цвета: Ca 2+ - темно-оранжевый Sr 2+- темно-красный Ba 2+ - светло-зеленый
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ ОБОБЩЕНИЕ М Е + Cl 2 Хлорид фосфид Т + P + H 2 + N 2 нитрид А + S Сульфид Л + O 2 Оксид + C карбид Л Ca, Sr, Ba + Н 2 О Ы + кислоты Гидрид Щелочь + Н 2 соли и водород
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С ВОДОЙ Закончите уравнения реакций, назовите продукты реакций и составте о-в реакции. Ca + H 2 O Sr + H 2 O Ba + Н 2 О
ОКСИДЫ МЕТАЛЛОВ II ГРУППЫ общая формула оксидов - Me. O и пероксидов - Me. O 2 Оксиды металлов IIA группы являются основными оксидами, Ве. О проявляет амфотерные свойства.
СОЕДИНЕНИЯ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Оксиды щелочноземельных металлов Общая МО формула Тип и класс Основный оксид веществ Физические Твердые кристаллические свойства вещества белого цвета Химические МО + Н 2 О = свойства МО + кислотный оксид = МО + кислота =
ПОЛУЧЕНИЕ Окисление металлов (кроме Ba, который образует пероксид) Ca + O 2 = Ca. O Термическое разложение нитрата магния или нерастворимых карбонатов Ca. CO 3 → Ca. O + CO 2 t˚C 2 Mg(NO 3)2 → 2 Mg. O + 4 NO 2 + O 2 t˚C
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1. С кислотным оксидом 3 Ca. O + P 2 O 5 = Ca 3(PO 4)2 2. С водой Ca. O + H 2 O = Ca(OH)2 (кроме Ве. О) 3. С кислотой Ca. O + HCl = Ca. Cl 2 + H 2 O 4. С амфотерным оксидом Ca. O + Zn. O = Ca. Zn. O 2
ОСОБЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДОВ 2 Ba. O + O 2 = 2 Ba. O 2 пероксид, только для бария Ве. О проявляет амфотерные св-ва взаимодействует со щелочами: Be. O + 2 Na. OH = Na 2 Be. O 2 + H 2 O сплав Be. O + 2 Na. OH + H 2 O = Na 2 раствор Be. O + Na 2 CO 3 = Na 2 Be. O 2 + CO 2 сплав
Соединения щелочноземельных металлов ГИДРОКСИДЫ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Общая формула М(ОН)2 Тип и класс веществ Щелочи Физические свойства Химические свойства Твердые кристаллические вещества, белого цвета с ионной кристаллической решеткой М(ОН)2 + соль = М(ОН)2 + кислотный оксид =
ГИДРОКСИДЫ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ - ЩЕЛОЧИ . Гидроксиды R(OH)2 - белые кристаллические вещества, в воде растворимы хуже, чем гидроксиды щелочных металлов (растворимость гидроксидов уменьшается с уменьшением порядкового номера; Be(OH)2 – нерастворим в воде, растворяется в щелочах). Основность R(OH)2 увеличивается с увеличением атомного номера: Be(OH)2 – амфотерный гидроксид Mg(OH)2 – слабое основание Са(OH)2 - щелочь остальные гидроксиды - сильные основания (щелочи).
ПОЛУЧЕНИЕ ГИДРОКСИДОВ 1. Реакции щелочноземельных металлов или их оксидов с водой: Ba + 2 H 2 O Ba(OH)2 + H 2 Ca. O + H 2 O Ca(OH)2 2. Электролиз растворов солей Ca. Cl 2 + H 2 O Ca(OH)2 + Cl 2 + H 2 эл. ток 3. Be(OH)2 и Mg(OH)2 получают с помощью обменных реакций Be. Cl 2 + 2 Na. OH = 2 Na. Cl + Be(OH)2
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 1. изменяют цвет индикатора Лакмус – синий Метилоранж – желтый Фенолфталеин - малиновый Гидроксиды щелочноземельных металлов в воде диссоциируют на
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 2. Реакции с кислотными оксидами: Ca(OH)2 + SO 2 Ca. SO 3 + H 2 O Ba(OH)2 + CO 2 Ba. CO 3 + H 2 O Ca(OH)2 +2 CO 2 CA(HCO 3)2 Ca(OH)2 + CO 2 = Ca. CO 3 + H 2 O Качественная реакция на углекислый газ 3. Реакции с кислотами (нейтрализация) Ba(OH)2 + 2 HNO 3 Ba(NO 3)2 + 2 H 2 O 4. Реакции обмена с солями: Ba(OH)2 + K 2 SO 4 Ba. SO 4+ 2 KOH
ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА 5. C амфотерными металлами, оксидами, гидроксидами Ca(OH)2 + Bе(OH)2 Ca (раствор) Ca(OH)2 + Be(OH)2 Ca. Be. O 2 + H 2 O (сплав) Ca(OH)2 + Be. O + H 2 O Ca (раствор) Ca(OH)2 + Be. O Ca. Be. O 2 + H 2 O (сплав) Ca(OH)2 + Be Ca + H 2 тетрагидроксобериллиат кальция
ТРИВИАЛЬНЫЕ НАЗВАНИЯ ВЕЩЕСТВ Сa. O – негашеная известь Ca(OH)2 –гашенная известь (известковая вода, молоко) Ca. CO 3 – мел, мрамор, известняк Ca. SO 4 * 2 H 2 O -- гипс Ca(Cl. O)Cl – хлорная известь
СОЛИ ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ Растворимые соли Be и Ba – токсичны, ядовиты! Катион Ba 2+ обычно открывают обменной реакцией с серной кислотой или ее солями: Сульфат бария – белый осадок, нерастворимый в минеральных кислотами
КАЛЬЦИЙ В ПРИРОДЕ Кальциевые горные породы – известняк, мрамор, мел. Вспомните формулу этих горных пород. В чем их отличие?
МЕЛ, ИЗВЕСТНЯК, МРАМОР НЕ РАСТВОРЯЮТСЯ В ЧИСТОЙ ВОДЕ, НО РАСТВОРИМЫ В КИСЛЫХ РАСТВОРАХ, ДАЖЕ ТАКИХ СЛАБЫХ, КАК ПРИРОДНАЯ ВОДА. При просачивании воды с поверхности земли через залежи известняка происходят процессы: 1. образуются провалы, если порода залегает под тонким слоем почвы
2. Если породы залегают на большой глубине – возникают подземные карстовые пещеры. Как называются отложения, свисающие в виде гигантских сосулек со свода пещеры? А растущие навстречу им со дна пещеры колонны? Какие химические реакции при этом происходят?
ИЗВЕСТНЯК И МРАМОР ИСПОЛЬЗУЮТ В АРХИТЕКТУРЕ И СКУЛЬПТУРЕ При воздействии кислотных дождей строения разрушаются. Какие реакции при этом происходят?
КАЛЬЦИЙ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА Минерал, содержащий фосфат кальция, играет важную роль в человеческом организме. Он строительным материалом костей человека, входит в состав эмали. В сочетании с другими минералами поддерживает работу сердечно-сосудистой системы, предотвращает возникновение рака толстой кишки, регулирует функции нервов, способствует снижению холестерина. В организме взрослого человека содержатся более 1 кг кальция в виде соединения Ca 3(PO 4)2.
Ca. SO 4 -сульфат кальция, встречается в природе в виде минерала гипса Ca. SO 4*2 H 2 O, представляющего собой кристаллогидрат. Используется в строительстве, медицине для наложения неподвижных гипсовых повязок, для получения слепков. Для этого применяют полуводный гипс 2 Ca. SO 4 -алебастр.
БЕРИЛЛИЙ Бериллий сходствует с алюминием и магнием…Получил своё название потому, что находится в минерале берилле. Металл называют также глицием от греческого слова «сладкий» , потому что соли его имеют сладковатый вкус. Д. И. Менделеев
СОЕДИНЕНИЯ БЕРИЛЛИЯ В ПРИРОДЕ Хризоберилл Be. Al 2 O 4 Изумруд Аквамарин Александрит
«Изумруд капризный, как женщина встречается совсем не там, где его ищут» Благодаря насыщенному зелёному цвету и твёрдости очень популярен у ювелиров, чудесная окраска вызвана наличием ионов хрома или ванадия. «Кажется, что если вглядеться в аквамарин, то увидишь тихое море с водой цвета звёзд» К. Г. Паустовский Такой цвет ему придаёт небольшая примесь двухвалентного железа
МАГНИЙ В ПРИРОДЕ Магний входит в состав активного центра зелёного пигмента растений -хлорофилла Автомобильная, авиационная и ракетная промышленность Магналий -твёрдый и прочный сплав с алюминием - 30 % Mg с добавками цинка,
МАГНИЙ В МЕДИЦИНЕ В медицине карбонат магния и окись магния применяют в качестве средств нейтрализующих соляную кислоту желудка и как легкие слабительные (Гастал, Ренни, Алмагель). Сульфат магния («английская соль») применяется в качестве слабительного, желчегонного и болеутоляющего средства при спазмах желчного пузыря. Раствор сернокислой магнезии вводят в качестве противосудорожного средства при эпилепсии и в качестве антиспастического лекарства при задержке мочеиспускания, бронхиальной астме, гипертонической болезни. органические соли магния используют при изготовлении БАД и лекарственных препаратов с широким спектром лечебно-профилактического действия, таких как
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ Жёсткость воды - совокупность химических и физических свойств воды, связанных с содержанием в ней растворённых солей щёлочноземельных металлов, главным образом, кальция и магния (так называемых «солей жёсткости»). Потребление жёсткой или мягкой воды обычно не является опасным для здоровья, есть данные о том, что высокая жёсткость способствует образованию мочевых камней, а низкая - незначительно увеличивает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Вкус природной
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ Жёсткая вода при умывании сушит кожу, в ней плохо образуется пена при использовании мыла. Использование жёсткой воды вызывает появление осадка (накипи) на стенках котлов, в трубах и т. п. В то же время, использование слишком мягкой воды может приводить к коррозии труб. Жёсткость природных вод может варьироваться в довольно широких пределах и в течение года непостоянна. Увеличивается жёсткость из-за испарения воды, уменьшается в сезон дождей, а также в период таяния снега и льда.
ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ Виды жесткости воды Присутствующие ионы Способы устранения жесткости воды Временная (карбонатная) Ca(2+), Mg(2+) HCO 3(-) 1. Кипячение 2. Добавление соды или Са(ОН)2 Постоянная Ca(2+), Mg(2+) SO 4(2 -) 1. Добавление соды. 2. Использование катионообменников Общая Ca(2+), Mg(2+), HCO 3(-), Cl(-) SO 4(2 -) Сочетание всех вышеуказанных способов.
СТРОНЦИЙ В ПРИРОДЕ Класс Саркодовые – радиолярии, обладают радикально расположенными псевдоподиями. Минеральный скелет, состоящий из кремнезёма или сульфата стронция, принимает форму правильных геометрических фигур (шаров, многогранников, колец), состоящих из отдельных игл.
ПРИМЕНЕНИЕ СОЛЕЙ СТРОНЦИЯ Как коллекционный минерал целестин ценится высоко, но практически не используется в ювелирном деле из-за своей низкой твердости и высокой хрупкости. Характерны образцы целестина голубого, светло-голубого, серо-голубого и чуть голубоватого цветов; целестин может быть и бесцветным, а также белым, желтоватым, синеватозеленым, красноватым, коричневым, порой еле просвечивающим, иногда – с зональной окраской.
ПРИМЕНЕНИЕ СОЛЕЙ СТРОНЦИЯ Соединения стронция использовались в пиротехнике; стоит бросить щепотку соли стронция в пламя – и оно окрасится в красный цвет. Все красные фейерверки и огни сигнальных ракет – все это благодаря стронцию. Соединения стронция используются в стекольной, керамической промышленности для получения глазированных поверхностей,
ТАЙНЫ ЦЕЛЕСТИНА Герр Хайнеман был доволен своей жизнью. Дела его шли хорошо, даже очень хорошо, если сравнить со многими другими эмигрантами, переехавшими в Соединенные Штаты. Его винный заводик на красивом озерном острове процветал, и вот, понадобилось сделать небольшой колодец для нужд производства. Со вчерашнего дня этим занимались его помощники, долбили породу. А сегодня один из них прибежал, мол, лучше ему взглянуть самому. Эх, все приходится делать самому. Герр Хайнеман спустился в подвал, где шли работы. - Ну, что тут у вас? - Вот, смотрите, мистер, долбили камень да наткнулись на пустоту… - Дайте фонарь. Герр Хайнеман спустился в яму в породе – результат работы целого дня. На дне ее и вправду зияла дыра. Он наклонился и посветил фонарем внутрь. И не поверил своим глазам: свет фонаря выхватил стенки обширной пещеры, покрытые огромными голубовато-белыми кристаллами. Герр Хайнеман уже было решил, что это подземная сокровищница троллей из сказок его родины, но ведь в США нет немецких троллей. Герр Хайнеман захихикал, поражаясь своей логике.
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ РЯД КАЛЬЦИЯ Са. О Са(ОН) 2 Са. СО 3 Са(НСО 3)2 Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно осуществить превращения веществ.
ЦЕПОЧКА ПРЕВРАЩЕНИЙ Ca → Ca. O→ Ca. Cl 2→ Ca(OH)2 →Ca. CO 3 →Ca. O Для реакций составить ионные уравнения и ок-восстановительные балансы.
IIA группа содержит только металлы – Be (бериллий), Mg (магний), Ca (кальций), Sr (стронций), Ba (барий) и Ra (радий). Химические свойства первого представителя этой группы — бериллия — наиболее сильно отличаются от химических свойств остальных элементов данной группы. Его химические свойства во многом даже более схожи с алюминием, чем с остальными металлами IIA группы (так называемое «диагональное сходство»). Магний же по химическим свойствами тоже заметно отличается от Ca, Sr, Ba и Ra, но все же имеет с ними намного больше сходных химических свойств, чем с бериллием. В связи со значительным сходством химических свойств кальция, стронция, бария и радия их объединяют в одно семейство, называемое щелочноземельными металлами .
Все элементы IIA группы относятся к s -элементам, т.е. содержат все свои валентные электроны на s -подуровне. Таким образом, электронная конфигурация внешнего электронного слоя всех химических элементов данной группы имеет вид ns 2 , где n – номер периода, в котором находится элемент.
Вследствие особенностей электронного строения металлов IIA группы, данные элементы, помимо нуля, способны иметь только одну единственную степень окисления, равную +2. Простые вещества, образованные элементами IIA группы, при участии в любых химических реакциях способны только окисляться, т.е. отдавать электроны:
Ме 0 – 2e — → Ме +2
Кальций, стронций, барий и радий обладают крайне высокой химической активностью. Простые вещества, образованные ими, являются очень сильными восстановителями. Также сильным восстановителем является магний. Восстановительная активность металлов подчиняется общим закономерностям периодического закона Д.И. Менделеева и увеличивается вниз по подгруппе.
Взаимодействие с простыми веществами
с кислородом
Без нагревания бериллий и магний не реагируют ни с кислородом воздуха, ни с чистым кислородом ввиду того, что покрыты тонкими защитными пленками, состоящими соответственно из оксидов BeO и MgO. Их хранение не требует каких-либо особых способов защиты от воздуха и влаги, в отличие от щелочноземельных металлов, которые хранят под слоем инертной по отношению к ним жидкости, чаще всего керосина.
Be, Mg, Ca, Sr при горении в кислороде образуют оксиды состава MeO, а Ba – смесь оксида бария (BaO) и пероксида бария (BaO 2):
2Mg + O 2 = 2MgO
2Ca + O 2 = 2CaO
2Ba + O 2 = 2BaO
Ba + O 2 = BaO 2
Следует отметить, что при горении щелочноземельных металлов и магния на воздухе побочно протекает также реакция этих металлов с азотом воздуха, в результате которой, помимо соединений металлов с кислородом, образуются также нитриды c общей формулой Me 3 N 2 .
с галогенами
Бериллий реагирует с галогенами только при высоких температурах, а остальные металлы IIA группы — уже при комнатной температуре:
Мg + I 2 = MgI 2 – иодид магния
Са + Br 2 = СаBr 2 – бромид кальция
Ва + Cl 2 = ВаCl 2 – хлорид бария
с неметаллами IV–VI групп
Все металлы IIA группы реагируют при нагревании со всеми неметаллами IV–VI групп, но в зависимости от положения металла в группе, а также активности неметаллов требуется различная степень нагрева. Поскольку бериллий является среди всех металлов IIA группы наиболее химически инертным, при проведении его реакций с неметаллами требуется существенно бо льшая температура.
Следует отметить, что при реакции металлов с углеродом могут образовываться карбиды разной природы. Различают карбиды, относящиеся к метанидам и условно считающимися производными метана, в котором все атомы водорода замещены на металл. Они так же, как и метан, содержат углерод в степени окисления -4, и при их гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями одним из продуктов является метан. Также существует другой тип карбидов – ацетилениды, которые содержат ион C 2 2- , фактически являющийся фрагментом молекулы ацетилена. Карбиды типа ацетиленидов при гидролизе или взаимодействии с кислотами-неокислителями образуют ацетилен как один из продуктов реакции. То, какой тип карбида – метанид или ацетиленид — получится при взаимодействии того или иного металла с углеродом, зависит от размера катиона металла. С ионами металлов, обладающих малым значением радиуса, образуются, как правило, метаниды, с ионами более крупного размера – ацетилениды. В случае металлов второй группы метанид получается при взаимодействии бериллия с углеродом:
Остальные металлы II А группы образуют с углеродом ацетилениды:
С кремнием металлы IIA группы образуют силициды — соединения вида Me 2 Si, с азотом – нитриды (Me 3 N 2), фосфором – фосфиды (Me 3 P 2):
с водородом
Все щелочноземельные металлы реагируют при нагревании с водородом. Для того чтобы магний прореагировал с водородом, одного нагрева, как в случае со щелочноземельными металлами, недостаточно, требуется, помимо высокой температуры, также и повышенное давление водорода. Бериллий не реагирует с водородом ни при каких условиях.
Взаимодействие со сложными веществами
с водой
Все щелочноземельные металлы активно реагируют с водой с образованием щелочей (растворимых гидроксидов металлов) и водорода. Магний реагирует с водой лишь при кипячении вследствие того, что при нагревании в воде растворяется защитная оксидная пленка MgO. В случае бериллия защитная оксидная пленка очень стойкая: с ним вода не реагирует ни при кипячении, ни даже при температуре красного каления:
c кислотами-неокислителями
Все металлы главной подгруппы II группы реагируют с кислотами-неокислителями, поскольку находятся в ряду активности левее водорода. При этом образуются соль соответствующей кислоты и водород. Примеры реакций:
Ве + Н 2 SO 4(разб.) = BeSO 4 + H 2
Mg + 2HBr = MgBr 2 + H 2
Ca + 2CH 3 COOH = (CH 3 COO) 2 Ca + H 2
c кислотами-окислителями
− разбавленной азотной кислотой
С разбавленной азотной кислотой реагируют все металлы IIA группы. При этом продуктами восстановления вместо водорода (как в случае кислот-неокислителей) являются оксиды азота, преимущественно оксид азота (I) (N 2 O), а в случае сильно разбавленной азотной кислоты – нитрат аммония (NH 4 NO 3):
4Ca + 10HNO 3( разб .) = 4Ca(NO 3) 2 + N 2 O + 5H 2 O
4Mg + 10HNO 3(сильно разб.) = 4Mg(NO 3) 2 + NН 4 NO 3 + 3H 2 O
− концентрированной азотной кислотой
Концентрированная азотная кислота при обычной (или низкой) температуре пассивирует бериллий, т.е. в реакцию с ним не вступает. При кипячении реакция возможна и протекает преимущественно в соответствии с уравнением:
Магний и щелочноземельные металлы реагируют с концентрированной азотной кислотой с образованием большого спектра различных продуктов восстановления азота.
− концентрированной серной кислотой
Бериллий пассивируется концентрированной серной кислотой, т.е. не реагирует с ней в обычных условиях, однако реакция протекает при кипячении и приводит к образованию сульфата бериллия, диоксида серы и воды:
Be + 2H 2 SO 4 → BeSO 4 + SO 2 + 2H 2 O
Барий также пассивируется концентрированной серной кислотой вследствие образования нерастворимого сульфата бария, но реагирует с ней при нагревании, сульфат бария растворяется при нагревании в концентрированной серной кислоте благодаря его превращению в гидросульфат бария.
Остальные металлы главной IIA группы реагируют с концентрированной серной кислотой при любых условиях, в том числе на холоду. Восстановление серы может происходить до SO 2 , H 2 S и S в зависимости от активности металла, температуры проведения реакции и концентрации кислоты:
Mg + H 2 SO 4( конц .) = MgSO 4 + SO 2 + H 2 O
3Mg + 4H 2 SO 4( конц .) = 3MgSO 4 + S↓ + 4H 2 O
4Ca + 5H 2 SO 4( конц .) = 4CaSO 4 +H 2 S + 4H 2 O
с щелочами
Магний и щелочноземельные металлы со щелочами не взаимодействуют, а бериллий легко реагирует как растворами щелочей, так и с безводными щелочами при сплавлении. При этом при осуществлении реакции в водном растворе в реакции участвует также и вода, а продуктами являются тетрагидроксобериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и газообразный водород:
Be + 2KOH + 2H 2 O = H 2 + K 2 — тетрагидроксобериллат калия
При осуществлении реакции с твердой щелочью при сплавлении образуются бериллаты щелочных или щелочноземельных металлов и водород
Be + 2KOH = H 2 + K 2 BeO 2 — бериллат калия
с оксидами
Щелочноземельные металлы, а также магний могут восстанавливать менее активные металлы и некоторые неметаллы из их оксидов при нагревании, например:
Метод восстановления металлов из их оксидов магнием называют магниетермией.
Разработка урока может применяться полностью для проведения урока в 9 классе по теме: «Бериллий, магний и щелочноземельные металлы», а также могут использоваться отдельные ее части, например видео-диктант при проверке домашнего задания, упражнение «Проверь себя» (работа в группах) с помощью которого, осуществляется подготовка учащихся к государственной (итоговой) аттестации, игра «Крестики-нолики» и индивидуальное интерактивное задание на закрепление материала по изучению взаимодействия металлов с кислородом.
Скачать:
Предварительный просмотр:
План-конспект урока.
УЧИТЕЛЬ: Шарапова Лариса Игоревна
КЛАСС: 9
ПРЕДМЕТ: химия
ТЕМА УРОКА: «Бериллий, магний и щелочноземельные металлы»
МЕСТО УРОКА В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ: урок по учебному плану.
Цель урока: Дать общую характеристику щелочноземельных металлов в свете общего, особенного и единичного по трем формам существования химических элементов: атомов, простых веществ и сложных веществ.
Задачи:
1. Познакомить обучающихся с группой типичных металлов, в которой наиболее ярко выявляются закономерности в изменении свойств и электронной структуры в зависимости от порядкового номера элемента.
Продолжить обучение учащихся пользоваться периодической системой и электронной теорией при обосновании физических и химических свойств простых и сложных веществ.
Совершенствовать умения составления уравнений химических реакций.
2.Способствовать продолжению развития устойчивого интереса к химической науке и практике.
Продолжить развивать научно-познавательную и коммуникативную компетенции, умения анализировать, выделять самое главное в изучаемом материале, делать выводы.
3. Воспитывать позитивное отношение к учению, прививать любовь к предмету, создавать комфортные отношения между участниками.
Тип урока. Урок изучения нового материала с элементами проверки знаний, с использованием цифровых образовательных ресурсов.
Вид урока. Объяснительно-иллюстративный с элементами контроля знаний учащихся.
Оборудование:
Для учителя: компьютер, мультимедийный проектор и презентация Microsoft PowerPoint, а также спиртовка, спички, напильник, мерный цилиндр, химические стаканы.
Для учащихся: лист самоанализа и самооценки обучающегося, лист с рефлексией, красная и синяя ручка.
Реактивы: кальций, вода, магний и соляная кислота.
Ход урока.
I этап. Организационный момент.
II этап. Сообщение темы, постановка цели и задач урока, мотивация учебной деятельности учащихся.
III этап . Проверка домашнего задания.
Используемые цифровые ресурсы: нет
а) К доске вызываются 4 человека и воспроизводят упражнения домашнего задания на доске.
Воспроизведенные упражнения проверяются по окончании фронтальной проверки.
1-й ученик: Упр.1. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
А) Li Li 2 O LiOH LiCl
Планируемый ответ:
- 4Li + O 2 2Li 2 O
- Li 2 O + H 2 O 2LiOH
- LiOH + HCl LiCl + H 2 O
2-й ученик:
Б) Na Na 2 O 2 Na 2 O NaOH Na 2 SO 4
Планируемый ответ:
1) 2Na + O 2 Na 2 O 2
2) Na 2 O 2 + Na Na 2 O
3) Na 2 O + H 2 O 2NaOH
4) 2NaOH + H 2 SO 4 Na 2 SO 4 +2 H 2 O
3-й ученик: Записать химические свойства калия.
Планируемый ответ:
- 2K + H 2 2KH
- 2K +Cl 2 2KCl
- 2K + S K 2 S
- K 2 O 2 + O 2 K 2 O 2
- K 2 O 2 + 2K 2 K 2 O
- 2K + 2H 2 O 2KOH+ H 2
- 2K +2 HCl (КОНЦ) 2KCl+ H 2
4-й ученик: Записать химические свойства гидроксида калия.
Планируемый ответ:
- KOH+ HCl KCl+ H 2 O
- 2KOH+CO 2 K 2 CO 3 + H 2 O
- 2KOH+CuSO 4 Cu(OH) 2 + K 2 SO 4
б) Фронтальная беседа по вопросам.
- Какие химические элементы относят к семейству щелочных металлов.
- Где встречаются щелочные металлы в природе?
- Как можно распознать соли щелочных металлов?
в) Видео-диктант с самоконтролем и использованием цифровых ресурсов:
- Презентация в формате Microsoft Office PowerPoint
(слайд № 2: «Видеофрагмент "Взаимодействие натрия с водой" (N131756)»; слайд №3: «Видеофрагмент "Алюминотермия" (N131915)»);
г) Проверка видео-диктанта. Учащиеся проверяют друг у друга написанные уравнения химических реакций и оценивают их, а затем сверяют правильность написания со
слайдом №4.
IV этап. Физическая минутка для глаз:
Закрыть глаза, сильно зажмурить и быстро поморгать. Затем открыть и посмотреть, не поворачивая головы налево, направо, вверх, вниз, в окно.
V этап. Актуализация знаний учащихся. Сообщение темы урока.
Используемые цифровые ресурсы: нет.
VI этап. Формирование и совершенствование знаний о простых веществах и элементах второй группы главной подгруппы.
1) «Кальций. Иллюстрация. (N 131846)»;
2) «Натрий. Иллюстрация. (N 131747)»
3) «Изделия из дюралюминия (N 131762)»
4) «Применение соединений кальция (I).Иллюстрация.(131884)».
1) Строение и свойства атомов.
Учитель: Выполните задание. Составьте схемы электронного строения бериллия, магнии, кальция.
а) К доске вызываются 3человека. Остальные учащиеся записывают это задание в тетрадях.
Учитель: Что общего и в чем различие электронного строения этих элементов?
Как это отразится на восстановительных свойствах? (Слайд 6)
А какой химический элемент будет самым слабым восстановителем среди элементов первой и второй группы.
Какие свойства будут проявлять оксиды и гидроксиды элементов второй группы главной подгруппы? (Слайд 7)
2) Физические свойства
Учитель: Попробуйте сравнить физические свойства натрия и кальция. (Слайд 8)
Использование цифровых ресурсов: «Кальций. Иллюстрация. (N 131846)»;
«Натрий. Иллюстрация. (N 131747)»
Планируемый ответ.
Свободных электронов у кальция в два раза больше, чем у натрия, но электрический ток проводить будет хуже. Так как электрический ток есть направленное движение заряженных частиц. Чем больше частиц, тем труднее их движение упорядочить. Блестеть кальций будет лучше, чем больше свободных электронов, тем лучше отражается дневной свет. Пластичность и ковкость будут хуже, им препятствует большее число электронов .
Вывод. Кальций серибристо-белый и довольно твердый металл, с выраженным металлическим блеском.
- Химические свойства металлов . (Слайд 9, 10, 11)
Реагируют с простыми веществами (неметаллами) (Слайд 9)
2М 0 + O 2 0 = 2М +2 O -2 M + S = MS
М + Cl 2 = МCl 2 3М + N 2 = М 3 N 2
М + H 2 = МH 2
Реагируют со сложными веществами: (Слайд 10)
Только Be не взаимодействует с водой.
М + 2НОН = M(OH) 2 + H 2
Mg , Ca способны восстанавливать редкие металлы.)
2Mg + TiO 2 = 2MgO +Ti – магниетермия
5Ca + V 2 O 5 = 5CaO +2V- кальциетермия
Опыт №1. Взаимодействие кальция с водой.
Кусок кальция зачищают напильником, небольшой кусочек кладут в чашку с водой и накрывают цилиндром. Цилиндр целесообразно заполнить водой только на 2/3 объема, чтобы водород перемешался с воздухом и при сгорании был слышен хлопок.
В воду добавляют раствор фенолфталеина, который в растворе стал малиновый, значит среда щелочная.
Ca + H 2 O Ca (OH) 2 + H 2
Вывод.Кальций активный металл, поэтому вытесняет водород из воды.
Мg + H 2 O = MgO + H 2 -видеофрагмент (Слайд 12)
Вывод. Магний вытесняет из воды водород только при нагревании. Менее активен, чем кальций, поскольку в группе стоит выше.
Учитель:
Взаимодействуют ли магний и кальций с кислотами? (Слайд 12)
Опыт № 2. Стружки магния насыпают в пробирку и приливают соляной кислоты, в результате реакции бурно выделяется водород.
Mg +2HCl = MgCl 2 +H 2
Вывод. Магний взаимодействует с кислотами, вытесняя водород, а кальций взаимодействует с водой, которая содержится в растворе кислоты.
- Металлы в природе . (Слайд 13)
Использование цифровых ресурсов: «Применение соединений кальция (I). Иллюстрация.(131884)».
Учитель: Почему щелочноземельные металлы в природе встречаются только в виде соединений?
Планируемый ответ : Щелочноземельные металлы встречаются в природе в виде соединений, так как они очень активны.
- Применение металлов. (Слайд 14)
Магний и кальций применяют для производства редких металлов и легких сплавов. Например, магний входит в состав дюралюминия, а кальций – один из компонентов свинцовых сплавов, необходимых для изготовления подшипников и оболочек кабелей.
Использование цифровых ресурсов: «Изделия из дюралюминия (N 131762)»
VII этап. Воспроизведение знаний на новом уровне (переформулированные вопросы).
Использование цифровых ресурсов: « Интерактивное задание. (№131869) ».
- Задания на установления соответствия.
(Подготовка обучающихся к ГИА по химии часть В).
УСТАНОВИТЕ СООТВЕТСТВИЕ . (Слайд 15)
В1. С увеличением порядкового номера элемента в главной подгруппе II группы Периодической системы свойства элементов и образуемых ими веществ изменяются следующим образом:
СВОЙСТВА ИЗМЕНЕНИЯ
2) радиус атома Б) не изменяется
4) число электронов на внешнем уровне Г) увеличивается
Ответ: А Г В Б
В2. В ряду элементов Na – Mg - Al – Si наблюдается следующее изменение свойств: (Слайд 16)
СВОЙСТВА ИЗМЕНЕНИЕ
1) восстановительные свойства А) усиливаются
2) число энергетических уровней Б) увеличивается
3) электроотрицательность В) уменьшается
4) число валентных электронов Г) не изменяется
Ответ: В Г А Б
- Интерактивное задание. (Слайд 17)
Использование цифровых ресурсов : « Интерактивное задание. Уравнения реакций магния и щелочноземельных металлов с кислородом (№131869) ».
Учитель предлагает одному учащемуся выполнить интерактивное задание
«Уравнения реакций магния и щелочноземельных металлов с кислородом»
На компьютере.
- Крестики - нолики. (Слайд 18)
Металлы, вступающие в реакцию с водой:
Са | ||
Ответ: Са, Zn, Mg
- Мозговой штурм. (Слайд 19)
Учитель: Используя знания по теме металлы, объясните:
- Можно ли хранить кальций на воздухе?
- Почему литий хранят под слоем керосина?
- Какой химический элемент будет самым слабым восстановителем среди элементов первой и второй групп главных подгрупп?
- А если сравнить кальций и калий. Какой из этих химических элементов будет лучшим восстановителем?
VII этап. Подведение итогов урока.
VIII этап. Домашнее задание: (Слайд 20)
Использование цифровых ресурсов: нет.
Для всех:
1.Учебник: повторить § 12.
2. Письменно:
Стр. 67 (учебник)
На «5» выполнить упр.№5 полностью
На «4» выполнить цепочку превращений из упр.№5
На «3» выполнить цепочку превращений упр.№4
По желанию:
3. Подготовить сообщение на тему: «История открытия щелочноземельных металлов» и презентацию на тему «Бериллий».
I X этап. Рефлексия. (Слайд 21)
Использование цифровых ресурсов: нет.
Деятельность учителя | Деятельность ученика |
Выберите нужную букву: А) Получил прочные знания, усвоил весь материал. Б) Усвоил материал частично. В) Мало что понял, необходимо ещё поработать. Вставьте смайлик настроения: Хорошо, безразлично, скучно. Сдайте рабочую тетрадь и листы самоанализа и самооценки. | Заполняют листы самоанализа и самооценки |
Щелочноземельные металлы представляют собой элементы, которые относятся ко второй группе периодической таблицы. Сюда можно отнести такие вещества, как кальций, магний, барий, бериллий, стронций и радий. Название этой группы свидетельствует о том, что в воде они дают щелочную реакцию.
Щелочные и щелочноземельные металлы, а точнее их соли, широко распространены в природе. Они представлены минералами. Исключением является радий, который считается довольно редким элементом.
Все вышеперечисленные металлы имеют некоторые общие качества, которые и позволили объединить их в одну группу.
Щелочноземельные металлы и их физические свойства
Практически все эти элементы представляют собой твердые вещества сероватого цвета (по крайне мере, при нормальных условиях и Кстати, физические свойства немного отличаются — эти вещества хотя и довольно стойкие, но легко поддаются воздействию.
Интересно, что с порядковым номером в таблице растет и такой показатель металла, как плотность. Например, в этой группе наименьшим показателем обладает кальций, в то время как радий по плотности сходен с железом.
Щелочноземельные металлы: химические свойства
Для начала стоит отметить, что химическая активность возрастает согласно порядковому номеру таблицы Менделеева. Например, бериллий является довольно стойким элементом. В реакцию с кислородом и галогенами вступает лишь при сильном нагревании. То же касается и магния. А вот кальций способен медленно окисляться уже при комнатной температуре. Остальные три представителя группы (радий, барий и стронций) быстро реагируют с кислородом воздуха уже при комнатной температуре. Именно поэтому хранят эти элементы, покрывая слоем керосина.
Активность оксидов и гидроксидов этих металлов возрастает по той же схеме. Например, гидроксид бериллия не растворяется в воде и считается амфотерным веществом, а считается довольно сильной щелочью.
Щелочноземельные металлы и их краткая характеристика
Бериллий представляет собой стойкий металл светло-серого цвета, обладающий высокой токсичностью. Впервые элемент был обнаружен еще в 1798 году химиком Вокленом. В природе существует несколько минералов бериллия, из которых самыми известными считаются следующие: берилл, фенакит, даналит и хризоберилл. Кстати, некоторые изотопы бериллия обладают высокой радиоактивностью.
Интересно, что некоторые формы берилла являются ценными ювелирными камнями. Сюда можно отнести изумруд, аквамарин и гелиодор.
Бериллий используют для изготовления некоторых сплавов, В этот элемент применяют для замедления нейтронов.
Кальций является одним из самых известных щелочноземельных металлов. В чистом виде он представляет собой мягкое вещество белого цвета с серебристым оттенком. Впервые чистый кальций был выделен в 1808 году. В природе этот элемент присутствует в форме таких минералов, как мрамор, известняк и гипс. Кальций широко применяется в современных технологиях. Его используют как химический источник топлива, а также в качестве огнеустойчивого материала. Ни для кого не секрет, что соединения кальция используются при производстве строительных материалов и лекарственных средств.
Этот элемент также содержится в каждом живом организме. В основном, он отвечает за работу двигательного аппарата.
Магний представляет собой легкий и достаточно ковкий металл с характерным сероватым цветом. В чистом виде был выделен в 1808 году, но его соли стали известными намного раньше. В магний содержится в таких минералах, как магнезит, доломит, карналлит, кизерит. Кстати, соль магния обеспечивает Огромное количество соединений этого вещества можно найти в морской воде.